1、高延性水泥基復合材料用高強高模短切合成纖維協會標準編制說明（征求意見稿）標準編制組2020年 5月一、工作簡況1. 標準任務來源：根據中國建筑材料聯合會關于下達2018 年第一批協會標準制定計劃的通知（中建材聯合 201864 號）和中國混凝土與水泥制品協會關于下達2018 年中國混凝土與水泥制品協會標準制定計劃（第一批）的通知（中制協字2018 11 號），高延性水泥基復合材料用高強高模短切合成纖維標準計劃編號 2018-10-xbjh 。本標準由中國混凝土與水泥制品協會、中冶建筑研究總院有限公司、東南大學等共同負責起草。2. 標準制定意義及目的：過去二十年間，高延性水泥基復合材料在國內外已

2、逐步被應用于砌體加固、路面增韌、橋面大變形區域的加固改造、建筑抗震節點、 鋼橋面鋪裝、 橋面抗震阻尼器等多種承受拉應力的復雜受力結構體系中，所應用的高延性水泥基復合材料以中等強度等級(C30-C50)為主。近年來，依據“一帶一路"國家重大戰略需求，為了滿足南海島礁建設、核電工程、國防防護工程等越來越多高抗震、高耗能、 高耐久的新建結構， 以及對既有結構進行性能提升或加固修補， 都需要高強和超高強度等級的高延性水泥基復合材料。但是，當前應用的高延性水泥基復合材料性能的穩定性不佳，影響最大的因素是短切合成纖維的物理，力學及表面特性。因為這類用途的纖維性能比較特殊，需要具有高彈模、 高抗拉

3、強度、 低斷裂伸長率和較高的表面疏水性等特殊要求， 比水泥混凝土和砂漿抗裂用短切合成纖維以及紡織行業用合成纖維性能之間都存在很大差異，技術要求更高、更精細。而直至今日，國際范圍內都沒有一部標準對這類纖維的性能提出明確的技術要求，導致了當前合成纖維選用的盲目性，以及一些不適合該體系的合成纖維“魚目混珠”，最終造成高延性混凝土性能波動很大，甚至出現失敗的工程應用案例。因此，為了解決當前行業內對高延性水泥基復合材料用合成纖維優選時的盲目性，防止纖維企業送樣檢測的纖維性能與運輸至下游用戶的纖維性能之間存在很大差異，特制定本標準。對更好地指導合成纖維生產企業把握纖維關鍵性能、保證纖維性能的穩定性，維護纖

4、維企業的有序競爭， 保證高延性水泥基復合材料生成質量的穩定性，以及確保業主和檢測單位對關鍵原材料短切合成纖維的技術要求與性能評估有據可依，具有重要意義和指導價值。3. 標準主要編制單位及工作分工：本標準由中國混凝土與水泥制品協會、中冶建筑研究總院有限公司、東南大學等共同負責起草編制， 中冶建筑研究總院有限公司負責標準的申報立項；東南大學全面負責編制方案、1計劃的制訂和實施；東南大學、 南京水利科學研究院共同負責解決主要技術難點以及開展必要測試驗證項目的實施與評價； 永安市寶華林實業發展有限公司、 南京駿益勝新材料科技有限公司負責提供標準中涉及的纖維樣品，并協助解決主要技術難點，便于試驗驗證。本

5、標準主要起草人有：郭麗萍，曹擎宇，陳波，丁聰，鄧忠華，丁曉峰，孫楊。4. 標準編制工作過程：（ 1）成立標準編制組（2018 年 5 月）編制組在接到工作任務后， 在東南大學召開了編制組成立暨第一次工作會議， 在會議上成立了標準編制小組， 并根據相關文件要求， 明確了小組成員工作任務制定了詳細的工作計劃。（ 2）資料收集（ 2018 年 6 月至 2019 年 5 月）標準起草小組開展了標準資料的收集調研和試驗測試工作，查閱了國內外相關標準及技術資料， 調研了國內外關于高延性水泥基復合材料用高強高模短切合成纖維的力學性能，耐堿性及表面疏水特性等相關研究；開展了高強高模短切合成纖維的抗拉強度、初

6、始模量及斷裂伸長率等力學性能測試，耐堿性能測試以及表面疏水特性測試，提出了硬化高延性水泥基復合材料中纖維分散性的檢測方法。（ 3）編制標準初稿（ 2019 年 6 月至 2019 年 8 月）標準編制組根據調研及測試的結果擬定了標準的大綱，并進行標準討論初稿的編制。（ 4）提出征求意見稿（ 2019 年 9 月至 2020 年 5 月）在前期技術資料收集、調研、測試試驗基礎上，標準編制組按GB/T 1.1-2009標準化工作導則第1 部分 :標準的結構和編寫編寫要求，對標準草案進行了修改和完善，于2020年 5 月完成了標準征求意見稿和編制說明。二、標準編制原則和主要內容與論據（一）標準編制原

7、則本標準通過對國內外高延性水泥基復合材料用高強高模短切合成纖維的技術指標及其與水泥基材料的適配性深入調研分析，并結合現有國內纖維量產化和性能穩定性的現狀，針對性地提出適用于高延性水泥基復合材料體系的兩種高強高模短切合成纖維：聚乙烯醇纖維（代號PVAF ）和聚乙烯纖維（代號PEF），以此引領特種纖維和水泥基復合材料的生產與檢測行業的規范發展。通過本標準的制定，一方面可以促進國內高延性水泥基復合材料制備質量的大幅提升， 另一方面可以維護高強高模短切合成纖維行業和高延性水泥基復合材料產業的有序競爭。為保證高延性水泥基復合材料的質量及性能穩定性，本標準規定了高延性水泥基復合材料用高強高模短切合成纖維的

8、術語和定義、標記、技術要求、檢驗方法、檢驗規則及標志、2出廠、包裝、運輸與儲存。目前國內外尚無此類標準，因此本標準在編制中主要參考了GB/T21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維和JC/T 2461高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法標準中有關內容編制。此外，本標準在規定高延性水泥基復合材料用高強高模短切合成纖維的技術指標及檢測方法時還參考了如下標準：FZ/T 52023 高強高模聚乙烯醇超短纖維GB/T 29554 超高分子量聚乙烯纖維DB44/T1872 紡織品表面潤濕性能的測定接觸法QCR3高速鐵路隧道用纖維素纖維與合成纖維（二）標準主要內容與論據3 術語及定義3.1 高延性水泥基

9、復合材料：按照 JC/T 2461高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法 中關于高延性水泥基復合材料的術語定義，并結合目前國內外相關研究中高延性水泥基復合材料表現出的應變硬化和多縫開裂行為特性，在高延性水泥基復合材料的術語定義中規定在軸心拉應力作用下表現出應變硬化和多縫開裂行為。3.2 短切合成纖維：按照 FZ/T 52023 高強高模聚乙烯醇超短纖維中關于超短纖維切斷長度小于20mm 的規定，并結合目前國內外相關研究中高強高模聚乙烯醇纖維常用的長度為 8mm 和 12mm，高強高模聚乙烯纖維常用的長度為12mm 和 18mm 進行編制。3.3 高強高模聚乙烯醇纖維：參照 FZ/T 52

10、023高強高模聚乙烯醇超短纖維中關于高強高模聚乙烯醇短纖維的抗拉強度不低于10 cN/dtex 及初裂模量不低于220 cN/dtex 的規定，如表 1 所示，并基于高延性水泥基復合材料質量及性能穩定性要求，編制規定抗拉強度不低于 1250 MPa，初始模量不低于30 GPa。表 1 FZ/T 52023 高強高模聚乙烯醇超短纖維技術要求3.4 高強高模聚乙烯纖維：參照 GB/T 29554 超高分子量聚乙烯纖維中關于超高分子量聚乙烯纖維斷裂強度的規定，如表 2 所示，并基于國內外相關研究中高強高模聚乙烯纖維常用于高強或超高強高延性水泥基復合材料，因此規定抗拉強度不低于2425 MPa ，初始

11、3模量不低于63 GPa。表 2 GB/T 29554 超高分子量聚乙烯纖維技術要求3.5 當量直徑： 按照 GB/T 21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維標準中關于當量直徑的術語定義編制。3.6 抗拉強度： 按照 GB/T 21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維標準中關于抗拉強度的術語定義編制。3.7 初始模量： 按照 GB/T 21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維標準中關于初始模量的術語定義編制。3.8 斷裂伸長率： 按照 GB/T 21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維標準中關于斷裂伸長率的術語定義編制。3.9 靜態接觸角：按照 DB44/T1872 紡織品表面潤濕性能的測定接觸法標準中關于

12、靜態接觸角的術語定義進行編制。3.10 耐堿性： 參照 GB/T21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維和QCR3高速鐵路隧道用纖維素纖維與合成纖維標準中關于纖維耐堿性的術語定義進行編制。3.11 分散性： 參照 GB/T 21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維和QCR3高速鐵路隧道用纖維素纖維與合成纖維標準中關于纖維分散性的術語定義進行編制。4 產品標記參考 GB/T 21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維中關于合成纖維的標記方法，同時考慮了高延性水泥基復合材料用高強高模短切合成纖維的關鍵性能指標，規定產品的標記須包含纖維類別、長度、當量直徑、抗拉強度、初始模量、斷裂伸長率等關鍵參數。5 技術要求5

13、.1 一般要求： 參考 GB/T21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維和QCR34高速鐵路隧道用纖維素纖維與合成纖維編制。5.2 尺寸要求： 按照 GB/T 21120 水泥混凝土和砂漿用合成纖維編制。45.3 力學性能指標：（ a）抗拉強度、初始模量、斷裂伸長率參照標準 FZ/T 52023高強高模聚乙烯醇超短纖維及GB/T 29554超高分子量聚乙烯纖維 中關于聚乙烯醇纖維及聚乙烯纖維的抗拉強度、初裂模量及斷裂伸長率的規定，并結合目前國內外高延性水泥基復合材料制備所采用的聚乙烯醇纖維及聚乙烯纖維的技術指標編制。對于高強高模短切聚乙烯醇纖維（ PVAF ），目前相關研究文獻中常采用的尺寸及基本

14、力學性能統計如表3 所示。由表3 可知， PVA -HDCC 的抗壓強度通常為10 MPa-80 MPa。綜合考慮高延性水泥基復合材料的質量及性能穩定性，PVA 纖維的長度通常選擇8 mm 或 12mm，直徑范圍為 30-40 m，抗拉強度不低于 1250MPa，初始模量不低于 30GPa，斷裂伸長率不低于 5%-8%。同時，參照 FZ/T 52023高強高模聚乙烯醇超短纖維中關于高強高模聚乙烯醇短切纖維的抗拉強度不低于10 cN/dtex 及初裂模量不低于220 cN/dtex 的規定，本標準編制規定高強高模短切聚乙烯醇纖維的抗拉強度不低于1250 MPa ，初始模量不低于 30GPa，斷裂

15、伸長率不低于 5%。對于高強高模短切聚乙烯纖維（PEF），目前相關研究文獻中常采用的尺寸及基本力學性能統計如表 4 所示。由于 PE 纖維相對較高的價格及更高的力學性能，由表 4 可知 PE-HDCC的抗壓強度通常為 80 MPa -150 MPa 。 PE 纖維的長度通常選擇12 mm 或 18 mm ，直徑范圍為 24-38 m，抗拉強度通常不低于2400 MPa ，初始模量不低于80 GPa，斷裂伸長率為 2%-3%。同時，參照 GB/T 29554超高分子量聚乙烯纖維中關于超高分子量聚乙烯纖維斷裂強度的規定，本標準編制規定高強高模短切聚乙烯纖維的力學性能須達到GB/T 29554超高分

16、子量聚乙烯纖維 中 BT25 的性能要求，即抗拉強度不低于2425 MPa，初始模量不低于63 GPa，且斷裂伸長率不低于 2%。表 3文獻中高延性水泥基復合材料用高強高模聚乙烯醇纖維（PVAF ）的尺寸及力學性能文獻PVA- HDCC 強度長度直徑初始模量拉伸強度斷裂伸長等級 /MPa/mm/ m/GPa/MPa率/%152.4123942.816207230123531.312877.334583942.8160064651240411600/5608/1239401600/625123942.81600/756.712404016006840-50121529.51560/970840/

17、1600/1025-5083942.8160075文獻PVA- HDCC 強度長度直徑初始模量拉伸強度斷裂伸長等級 /MPa/mm/ m/GPa/MPa率/%1125-45123942.8162061240-554441.116405.31335-65123842.8162061425-608404011001400/1565-801239/1600/1630-60123942.8162071710-30124042.816207.81845-6584042160021955-105123942.81620/2040-501240401600/2140-5012403513008102215-

18、301239401600/23/615/27391600/24/1240421600725/1239421600726/839411600627/6/8/1240401600628/123916.91275/29/123942.81620/30/8404115606.53180-100838401100632/1239401600/33/104022/42.21060/1620/34/123942.81600635/40401600636/123842.81060/表 4文獻中高延性水泥基復合材料用高強高模聚乙烯纖維（PEF ）的尺寸及力學性能文獻PE-HDCC 強度等長度直徑初始模量拉伸強度

19、斷裂伸長級 /MPa/mm/ m/GPa/MPa率 /%3746-56122411630002.53840-651238/2439/821950/2700583943-11512/1824/20100/1202400/2800236文獻PE-HDCC 強度等長度直徑初始模量拉伸強度斷裂伸長級 /MPa/mm/ m/GPa/MPa率 /%4045-10018251162900/41/1212882600/42/12.7/1920/381202700/43/12/1820/241202800234435-551812882700/4540-50121882600/46/12241203000/47

20、40-16012241162900/4860122411030002.4249115122510030002.25013712241203000/51/12251162900235390182410024002-354/1212882580/55121182010030002-35680-100182410024002-357150192311332502.358/12241203000/59/12.7381172400/60/12.7281003000/61/19.0538117/（ b）耐堿性能按照 GB/T 21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維標準

21、中關于合成纖維耐堿性能不低于 95%的要求編制。（ c）靜態接觸角高延性水泥基復合材料以纖維橋聯模型為理論基礎，通過對纖維、基體及纖維/基體界面三者的合理調控，使具有應變硬化特性的高延性纖維增強水泥基復合材料，纖維/基體的界面調控對高延性水泥基復合材料性能優化至關重要。聚乙烯醇纖維由于其表面含有大量的羥基而表現出親水特性，羥基與高延性水泥基復合材料水化產物形成鍵合產生化學粘結力，導致纖維與基體間的界面粘結力過強，纖維在從基體拔出的過程中易被拔斷，限制纖維橋聯作用的發揮。 因此，高延性水泥基復合材料用高強高模短切聚乙烯醇纖維表面需要疏水處理。目前，PVA 纖維的表面常采用油劑處理，纖維表面經1.

22、2%的油劑處理后表面接觸角達到了130°，7而未經表面處理的PVA 纖維表面接觸角僅為5°，其靜態接觸角如圖1 和圖 2 所示。此外，文獻 63 研究了 PVA 纖維表面經不同油劑含量處理時HDCC 的拉伸延性，如圖3 所示。 PVA纖維的表面親/疏水特性對拉伸延性產生顯著影響。考慮到不同抗壓強度等級的高延性水泥基復合材料對纖維/基體界面調控的要求，以及經不同油劑含量處理的PVA 纖維，其表面接觸角不同，因此本標準編制規定高彈高模短切聚乙烯醇纖維靜態接觸角不低于60°。圖 1 寶華林生產的經油處理的PVA 纖維靜態接觸角圖 2 未經表面處理的PVA 纖維靜態接觸角

23、62圖 3 PVA 纖維表面經不同油劑含量處理時HDCC 的拉伸延性 63 。聚乙烯纖維表面具有天然憎水特性，憎水性的PE 纖維的橋接耗能功效能夠更多的發揮在拔出過程中，有利于高延性水泥基復合材料延性的提高。PE 纖維表面靜態水滴接觸角如圖 4 所示 64 。考慮到不同抗壓強度等級的高延性水泥基復合材料對纖維/基體界面調控的要求，因此本標準編制規定高彈高模短切聚乙烯纖維靜態接觸角不低于90°。8圖 4 PE 纖維表面的靜態接觸角64（ d）高延性水泥基復合材料性能指標高延性水泥基復合材料的極限延伸率和平均裂縫寬度性能指標按照JC/T 2461高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方

24、法的規定編制，極限延伸率不低于0.5%，平均裂縫寬度不大于200 m。高強高模短切合成纖維在硬化高延性水泥基復合材料基體中的纖維分散度是保證高延性水泥基復合材料的質量及性能穩定性的重要指標。文獻65 -66 研究了 PVA 纖維分散度對高延性水泥基復合材料拉伸延性的影響，如圖 5 和圖 6 所示。短切合成纖維的分散度取決于纖維尺寸及表面狀態， 高延性水泥基復合材料的配合比及攪拌工藝。因此， 綜合考慮高延性水泥基復合材料施工因素及纖維尺寸和表面特性，本標準編制規定高彈高模短切合成纖維在硬化高延性水泥基復合材料基體中的纖維分散度不低于75% 以保證高延性水泥基復合材料質量及性能穩定性。圖 5 文獻

25、中纖維分散系數對拉伸延性的影響圖 6 文獻中纖維分散系數對拉伸延性的影響65666 檢驗方法6.1 尺寸檢驗： 按照 GB/T 21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維規定的方法進行纖維長度及 當量直徑的測定。6.2 抗拉強度、初始模量及斷裂伸長率：高強高模短切合成纖維的抗拉強度、初始模量9及斷裂伸長率按GB/T 21120 水泥混凝土和砂漿用合成纖維規定的方法進行測定。6.3 耐堿性： 高強高模短切合成纖維的耐堿性按GB/T 21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維規定的方法進行測定。6.4 靜態接觸角：參考標準DB44/T1872 紡織品表面潤濕性能的測定接觸法中關于表面潤濕性能的測定技術。考慮到

26、單根纖維放置于樣品臺時，表面不易于樣品臺平行和固定，同時液滴在滴到單根纖維上時容易滑落，單根纖維表面疏水度存在差異并對測量結果產生較大誤差。 因此本標準采用多根短切纖維機械壓密的方式制成表面平整的餅狀樣品進行靜態接觸角的測試。6.5 高延性水泥基復合材料性能檢測極限延伸率與平均裂縫寬度： 高延性水泥基復合材料的極限延伸率與平均裂縫寬度按 JC/T 24618高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法規定方法進行測定。纖維分散度：高強高模短切合成纖維在硬化高延性水泥基復合材料中分散度的檢測方法為推薦性方法，該方法依據掃面電鏡背散射技術進行檢測，該檢測技術已被試驗驗證是有效且準確的檢測技術。7

27、檢驗規則參考 GB/T 21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維中關于合成纖維出廠檢驗和型式檢驗的相關規定編制。8 標志、出廠、包裝、運輸與儲存參考 GB/T 21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維中關于纖維標志、出廠、包裝、運輸與儲存的相關規定編制。三、主要試驗（或驗證）情況3.1 抗拉強度、初始模量、斷裂伸長率力學性能驗證表 5 給出了一組高強高模短切PVA 纖維和 PE 纖維的物理力學性能， 其性能滿足編制標準中關于纖維力學性能的要求。采用高強高模短切PVA 纖維制備了抗壓強度等級為C35的PVA-HDCC ；采用高強高模短切PE 纖維制備了抗壓強度等級為C100 的 PE-HDCC ，圖 8

28、展示了 PVA 纖維和 PE 纖維增強的 HDCC 拉伸應力應變曲線。由圖8 可知，兩種 HDCC 均可實現較高的延性， PVA -HDCC 的拉伸延性達到2.7%， PE-HDCC 的拉伸延性達到4.8%。表 5 PVA 纖維和 PE 纖維物理力學性能抗拉強度初始模量斷裂伸長率直徑長度纖維種類MPaGPa%mmmmPVAF126030583912PEF300010023281210(a) PVA-HDCC(b) PE-HDCC圖 8 PVA - HDCC 和 PE-HDCC 拉伸應力應變曲線3.2 纖維長度及分散度對HDCC 拉伸延性的影響采用不同 PVA 纖維長度的HDCC 拉伸應力應變曲

29、線如圖9 所示。由圖9 可知，當 PVA纖維長度為 9mm 和 12mm時， HDCC 的拉伸延性達到 2.5%；而當 PVA 纖維長度為 24mm時， HDCC 的拉伸延性僅為0.5% 。此外， PVA 纖維在硬化水泥基體中的分散度也隨著纖維長度的增加而降低， 如圖 10 所示。當 PVA 纖維長度為 24mm 時，其分散度約為75%。過長的纖維使得其在硬化水泥基體中分散性較差，拉伸延性降低。考慮到HDCC 性能穩定性要求及原材料和配合比引起的HDCC 性能差異，因此限定短切纖維長度不超過20mm，纖維在硬化 HDCC 中的分散性大于75%。圖 9 不同長度PVA 纖維的 HDCC 拉伸應力

30、應變曲線11圖 10 不同長度PVA 纖維在硬化高延性水泥基復合材料中的分散度3.3 纖維表面不同接觸角對HDCC拉伸延性的影響圖 11 展示了表面未經處理的親水性PVA 纖維（ N -PVAF ）接觸角，圖12 展示了表面經疏水處理后PVA 纖維（ S-PVAF ）接觸角。圖13 給出了采用這兩種PVA 纖維制備的HDCC拉伸應力應變曲線。PVA 纖維表面處理后，PVA -HDCC的拉伸延性顯著提高，其延性是N-PVA -HDCC 的 2 倍。采用靜態接觸角為137.9 °（如圖 4）的 PE 纖維制備HDCC ，由不同硅灰摻量（圖14）及不同水膠比（圖15）的 PE-HDCC 拉伸應力應變曲線可知，PE-HDCC 的拉伸延性可穩定大于 3.0%。圖 11 表面未處理的親水性圖 12 表面經處理的疏水性圖 13 PVA -HDCC 拉伸應PVA 纖維（ N-PVAF ）接觸角 66PV A 纖維（ S-PVAF ）接觸角力應變曲線圖 14水膠比為0.23 時 PE -HDCC拉伸應力應圖 15硅灰摻量為40% 時